Здравствуйте. Проектирую блок питания AC/DC для геофизического прибора, входное напряжение ~220 В +10%-30%, выходное 50 В, мощность 40 Вт, температура окружающей среды до 150 градусов. Схема - обратноходовый преобразователь по типовой схеме на ШИМ-контроллере UC2844. Дроссель на сердечнике Epcos EFD30, материал N87. Проблема такая - при термоиспытании на 150 ^oС до 25 Вт на нагрузке блок питания работает стабильно в течении длительного времени, при увеличении мощности выше 25 Вт сердечник разогревается настолько, что в конце прямого хода возникает его насыщение (пилообразная осциллограмма тока первички изгибается вверх), потребляемый ток растет, пока не дойдет до ограничения. Применить сердечник большего габарита невозможно из за ограничения по габаритам прибора. Вопрос - какие могут быть варианты решения проблемы? Применить другую топологию? другой материал сердечника? или что либо еще. Заранее спасибо за советы.

+150С ambient - действительно трудная ситуация. Прежде всего, убедитесь, то частота UC2844 при повышении температуры не уплывает вниз. Точка Кюри почти всех доступных ферритов приблизительно равна +200С. Превышение ее выражается в резкой и полной деградации магнитной проницаемости, то есть в уменьшении индуктивности. Чтобы не приближаться к ней, нужно хорошо посчитать трансформатор с учетом потерь на перемагничивание сердечника. Возможно, придется снизить частоту, заново перерасчитав количество витков. Можно перевести flyback в CCM mode, но тогда полоса обратной связи сильно ухудшится.

Как-то затруднительно представить себе жилые помещения, провода, розетки, и т.п., с такой температурой, так что проще пересмотреть условия задачи и тянуть до раскалённого прибора что-то более удобоваримое, типа сразу же постоянного и сразу же 50 В, приготовленного обыкновенными средствами и в обыкновенных условиях.

Там речь идет о каком-то загадочном геофизическом приборе, работающим, наверное, внутри вулкана.

Ну так я и говорю, что проблем нет — четырёхпроводная схема создаст +50 В без единого электронного компонента хоть прямо в доменной печи.

Согласен, было бы идеально не "жарить" источник, а решить проблему дистанционно. Тем более ток в 1А.
И опять тот самый случай - автор залег на дно и ни жу-жу. Может это тренд такой сегодня?

Для таких условий феррит не пойдёт. У него температура Кюри около 200 градусов по Цельсию.
Это значит, что приближаясь к этой температуре феррит теряет свои магнитные свойства.
Посмотрите такой материал сердечника: http://www.gammamet.ru/ru/gm14dc.htm
Для обратноходового преобразователя не подойдёт. Схему следует пересмотреть на прямоходовый преобразователь.

тогда ТС не впишется в габариты с выходным дросселем

Для "горячих" скважин на большой глубине это нормально, бывает и больше





Приборы работают в связке из нескольких штук, на каротажном кабеле длиной до 6 км. Общая мощность связки до 150 Вт, Наиболее мощные приборы потребляют до 35 Вт (для них и нужен данный блок), при 50 В общий ток будет 3 А. Кабель трехжильный, для питания можно запараллелить 2 жилы, и броня как второй провод. Сопротивление жилы около 26 Ом/км, брони 5 Ом/км, при длине 6 км имеем сопротивление питающей цепи 108 Ом. При токе 3 А на ней будет падать 324 В. Дополнительных жил для контроля напряжения на приборе нет, так что подавать 50 В с земли будет проблематично.




Спасибо за совет, попробую пересчитать схему и смакетировать. Но все таки, есть ли возможность уменьшить нагрев ферритового сердечника? Про габариты - так как кожух прибора по сути представляет собой трубу, ограничены высота и ширина размещаемых на плате компонентов - в первую очередь дросселя (или трансформатора, это уже другой вопрос). Длина же устройства в разумных пределах не ограничена.

Извините, но в первом сообщении темы Вы заявили на конце этого 6-километрового 312-омного кабеля под нагрузкой, с Ваших новых слов, 150-ю ваттами наличие аж переменного напряжения 220 В аж ±10% — и это для вентильного-то выпрямителя с его на порядок больше импульсным током — а в своей лаборатории сейчас небось вообще подаёте ±0%.

Есть сомнение, что Вы можете использовать экран, как силовой провод - обычно такое не допускается.

Думаю, что переход на топологию forward вполне рационален. В этом случае Вы можете улучшить кпд и, главное, разделить трансформатор и индуктор. Индуктор, кстати, нужно использовать на МРР сердечнике, точка Кюри которого обычно в области +500С. Трансформатор нужно пересчитать с низкой индукцией и конструктивно обеспечить термоконтакт с общим корпусом, чтобы уменьшить разницу температур. В качестве транзистора лучше идет SiC. В качесте диодов - не Шоттки из-за сильных утечек при температуре. Остается самое слабое звено - электролитические конденсаторы, по крайней мере входной. Остальные могут быть керамическими с учетом DC bias деградации.

Перегрев определяется выделяемой мощностью и тепловым сопротивлением.
Если мощность уменьшить нельзя, то надо снижать тепловое сопротивление - пропитывать дроссель в сборе, залить теплопроводным герметиком плату и т.д. и т.п.


А кто мешает поставить параллельно/последовательно два/три дросселя меньшего габарита?

Прошу прощения, насчет ±10% - перегнул, входное напряжение при полной нагрузке падает примерно до 150 В, все это учитывается и при испытаниях с применением имитатора кабеля.


Допускается, большинство скважинных приборов именно так и запитано. Броня - это не совсем экран, это грузонесущий элемент кабеля из 2-х слоев стальной проволоки, навитых вокруг залитых в оболочку жил.


Благодарю, а есть ли смысл применять двухтактную топологию (напр. полумост) или однотактный forward здесь будет лучше?
Электролитические конденсаторы - Nichicon серии BX, заявлены на 150 градусов, пока работают без проблем. Шоттки действительно температуру такую не держат, от них отказались.


Как вариант, попробуем.

Снижать индукцию насыщения. Это значит увеличить габариты магнитопровода. И всё-равно для феррита слишком жёсткие условия работы.

Справедливо. Кстати, из топологии forward лучше выбрать half-bridge (полумост), поскольку он лучше утилизирует сердечник. Таким образом, при том же размере сердечника снизим индукцию. Для того, чтобы не уплывать в сторону точки Кюри, необходимо обеспечить хороший теплоотвод сердечника - тогда градиент температуры хоть как-то снизим. Электролитические конденсаторы обязательно прошунтировать керамическими для снижения тока rms на ВЧ - увеличим "налет часов" хоть как-то. Выходной индуктор тоже можно прислонить к общему теплоотводу, хотя можно и не сильно заморачиваться, если МРР core, да и ток в общем не очень большой - 1А. Вот как-то так.
Если по какой-то причине полумост неприемлем, то можно съехать на self resonant clamp forward или active clamp forward. Однако у обоих есть свои недостатки: высокое напряжение ключевого транзистора и др.

Может не полениться намотать flyback на MPP ?
http://www.mag-inc.com/File%20Library/Prod...ation/CG-06.pdf
И ключ на 200 градусов -
http://www.st.com/st-web-ui/static/active/.../DM00118513.pdf

При питании на входе кабеля 300 вольт и мощности 150 ватт ток в жиле 0.5 A. Итога на проводах и броне потеряем 54 вольта.
На стороне приборов имеем 300-54= 246 вольт. Приемлемое напряжение. Ставите трансформатор и забываете о AC/DC при 150 градусах

Ну да, поставить. В первом же посте ТС писал, что ограничен в габаритах. А вы ему про трансформатор/выпрямитель/стабилизатор и т.д.

В старых скважинных приборах таки стоят. и вмещаются. Учтите, 150 ватт это общее потребления, а там гирлянда приборов.
трансформаторы на прибор не такие и большие. Автор топика писал, наиболее мощный это 35 ватт

EPCOS в ДШ на материал N87 даёт индукцию насыщения ~0,37 Тл при температуре 100°С, как ведёт себя этот материал при более высоких температурах неизвестно. Судя по описанию в первом посте, при нагрузке более 25 Вт наблюдается насыщение материала сердечника (индукция растёт с ростом нагрузки как корень квадратный). Для исправления можно попробовать снизить максимальную рабочую индукцию в трансформаторе уменьшив индуктивность первичной обмотки (увеличив зазор) примерно на 20% и одновременно увеличив частоту на те же 20%. Правда ТС не дал никаких сведений о рабочей частоте (?) и о расчётной индукции (?). На 40 ваттах у сердечника EFD30 при частоте 100 кГц запас должен быть большой и по плотности тока, и по индукции, и по перегреву.
Сделать трансформатор на МРР-кольце (или на KOOL Mю) то же хорошее решение, но это отдельная песня Трансформатор, к стати, будет по размерам всего лишь немного больше.

По поводу распылённых материалов - у многих производителей есть своя линейка таких. Магнетикс предлагали, у Микрометалс есть сердечники для 200-градусных применений тоже.

Полная нагрузка, с Ваших слов, это 150 Вт, а не выгодно персонально Ваши 40 Вт — кабель-то ведь один на всё, всё с тех же Ваших слов. А с учётом КПД БП, она как минимум 190 Вт.

Напряжение на выходе, без разницы, 312-омного реального кабеля ли, или его 312-омного имитатора, должно быть как минимум 300 В, а на его входе, соответственно 500 В, и никакого не переменного, а самого натурального постоянного тока.

С чего вдруг Вы вообще здесь до сих пор категорией "электросеть" рассуждаете, тщетно пытаясь доказать себе и окружающим её жизнеспособность в данной среде, продолжая засовывать её туда — петрушкина ж это работа, и не более того.

Да начальство у него: насовало задач, оформили по-быстрому в виде ТЗ - и вперед к исполнению. А физика и прочие "мелкие неприятности" - пусть инженер мучается.

Спасибо, буду пробовать полумост, с трансформатором на феррите и дросселем на MPP или Kool Mu. Электролиты, разумеется, зашунтированы керамикой. Здесь еще вопрос - оправдано ли ставить драйверы типа IR2101 или лучше классическая схема управления ключами с развязывающим трансформатором?




Рабочая частота 100 кГц, расчетная индукция ~0.25 Тл.




Полная нагрузка - это 150 Вт, это мощность снимаемая с кабеля, с учетом КПД БП, с запасом. Откуда Вы взяли 312 Ом, если я конкретно написал - сопротивление питающей цепи ~ 108 Ом? "Электросеть" здесь не причем, есть конкретные требования к питанию связки, определяемые наземным оборудованием и совместимостью приборов, определяю их не я, я могу только следовать им.

Вполне можно снизить индукцию до 0,19 Тл даже не повышая частоту, а если повысить частоту до 120 кГц, то можно снизить почти до 0,15 Тл.
Переход на форвард на таких мощностях выигрыша не даст, только усложнит конструкцию - индукцию то всё равно уменьшать нужно, то есть обмотки трансформатора во флае и форварде будут одинаковые разница только в зазоре.

При такой жаре конденсаторам не позавидуешь...
Поэтому выходной дроссель весьма желателен.
Полимерный электролит не держит такие температуры...
Разделив первичную обмотку на 2 половинки можно уменьшить пульсации входного тока, но поможет ли это конденсаторам...

Двухтактные преобразователи при таких температурах могут оказаться проблемными. Даже в нормальных условиях возможна асимметрия намагничивания сердечника, а что будет при критических температурах? Большой вопрос. Для малой мощности идеальным вариантом будет обратноходовый преобразователь. Осталось найти подходящий магнитопровод.

Неплохо было бы увидеть всё это в первом сообщении темы, а не традиционно на N-ной странице.

Но тогда вообще непонятно, о чём до сих пор эта тема, если свободное место у Вас не отсутствует напрочь, как было в пресловутом же первом её сообщении, а его таки полным полно.

Будете смеяться, но предложу старый добрый вибропреобразователь в качестве выпрямителя и его же в качетсве силовго модулятора и синхронного выпрямителя, возможно на 400 Гц для уменьшения размера трансформатора из старого доброго пермаллоя с точкой Кюри под 300 градусов. Как не странно, такое электромеханическое решение занимает меньше места, чем дико недогруженный по мощности кремний.
А вообще то подождите 3-5 лет, сейчас развиватеся силовая электроника на нитридах, для них и 200 градусов не предел.

Вот странно
Вы вроде понимаете сложность конструирования ИИП на работу при 150 градусах, и в то же время у вас лезут IR2101, ферриты, электролиты...
Я бы смотрел в сторону автогенераторного полумоста а ля "электронный трансформатор". Из полупроводников на высокой стороне - 2 транзистора и динистор, и никакой другой полупроводниковой ерунды. 2 моточных, ну плюс выходной дроссель. При относительно стабильном входе можно иметь относительно стабильный выход.

Это конечно сильно их сейчас достать то реально вообще? Там уж можно и электромашинный, и выход стабилизировать регулировкой возбуждения генератора, главное - при проверке сразу будет ясно что прибор работает




И как это решит проблему с перегревом сердечника? К тому же добавится проблема стабилизации выхода, да и частота куда насколько поплывет с нагревом? С полупроводниками проблем не наблюдалось, в том числе и с контроллером, с электролитами - тоже, производитель заявляет для них рабочую температуру до 150 ^oС.

absolute maximum ratings 150 градусов и рабочая температура 150 градусов - совершенно не одно и то же.
Автогенератор не решит проблему перегрева, разумеется. он решит проблему сложнодоставаемых высокотемпературных полупроводников.
Сердечник высокотемпературный вам предлагали двух фирм.
Стабильность частоты устройства источника питания вроде как не должна волновать потребителей, ну а стабилизация выхода - а не бывает идеального решения. Везде свои + и -

Чтобы не было вопросов - добавляем диодик к отводу выходного дросселя

А по поводу автогенератора...
Если реализовать обычное увеличение частоты как функцию роста входного напряжения, применив насыщающиеся колечки, то выходное напряжение будет гулять скромнее входного...
Полумост работает с полным заполнением, ZVS сам собой.
Снабберы на выходных диодах регулируют выходное напряжение, имея задержку перед насыщением.

1998 "An Improved Magnetic Snubber Circuit for the Diode Reverse Recovery in DC-to-DC Converters"
Harada, Ishihara, Todaka

И без шибко умных ИМС !

Всё вы правильно говорите, только "горячие" условия. Конденсатор не всякий сюда подойдёт... Здесь нужна предсказуемая схемотехника и соответствующие материалы.

Начинка не простая... Никаких IR21xxx, оптронов...
http://www.irf.com/technical-info/whitepaper/tp-hiten.pdf
Книжка подходящая в сети лежит -
"EXTREME ENVIRONMENT ELECTRONICS" 2013
почти тысяча страниц...

Быть можеть, не ломать голову, а подобрать что-то осюда: http://www.irf.com/product/_/N~1nje2h ??

Magnetic Design for High Temperature, High Frequency SiC Power Electronics
http://brage.bibsys.no/xmlui/bitstream/han..._FULLTEXT01.pdf

мои соображения по теме:
1 по поводу уменьшения перегрева транса по логике нужно идти в двух направлениях, первое чтобы он меньше нагревался (уменьшение потерь в сердечнике-уменьшение размаха инд-ии, уменьшение частоты и в катушке-увеличение сечения проводов) а второе чтобы его меньше нагревали остальные элементы преобразователя (тоесть увеличение кпд ИП в целом - применение резонансных топологий, синхронного выпрямления, или уменьшение частоты). уменьшив частоту, можно сделать ИП большой и все элементы будут холодные, но если жесткие требования по габаритам, то нужно смотреть в сторону топологий без динамических потерь. пример у меня 100вт сетевой LLC - силовые ключи в TO220 стоят без радиаторов и они холодные.
2 по поводу транса флая на кулмю/распылённом железе - это вполне реально, видел ИП сделанные таким образом
3 по поводу электролитов при 150гр - это только окружающая среда 150, а ещё другие элементы ИП будут греть эти электролиты и какой у них будет ресурс при этом -хз. то, что устройство работает, не значит, что оно будет работать через 1000 или 500 или даже 100 часов такой эксплуатации. но это уже вопросы ресурса - ваши требования мне неизвестны, на некоторые устройства ваще ресурс может 100 часов и хватит

X7R уже не притворяется нормальным диэлектриком на такой температуре...
X8R на пределе.
NP0 не должна подкачать

электронный трансформатор вполне актуален - например, VICOR
https://www.youtube.com/watch?v=x6H8scnB304

Лично у меня снять более 100Вт со 100 Омного кабеля не получается.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Надо с руководстом согласовать задачу. Либо ставить ККМ , либо питать от постоянного напряжения( как тут уже предлагали).

нищеброд, просто надо строить потёмкинскую деревню так же лукаво, как автор темы — свои неэкологичные 40 Вт подключать к вентильному выпрямителю, а 110 Вт остальных нагрузок заявлять идеальными и подключать до него, т.е. непосредственно к кабелю.

нищеброд
апплодирую стоя

Интересно, где я написал, что на входе кабеля будет непременно амплитудное напряжение 300 вольт (действующее 212 вольт)?
Аппаратура позволяет регулировать напряжение до 300 вольт действующего, в этом случае можно снять больше 200 ватт без ККМ. Хотя установку его стоит рассмотреть, хотя бы пассивного. Питать от постоянного напряжения было бы замечательно, но по некоторым причинам не получится.



Уважаемый Plain, Вам больше нечем заняться как додумывать за меня мои сообщения после чего докапываться до них?

Вот эскиз схемы начинки VICORa
автогенератор с синхронным выпрямителем - электронный трансформатор
потом понижать-регулировать buck

ККМ ставить в таком случае нет смысла (это я погорячился). Потребляемый ток и так близок к синусоиде.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Проблема с сердечником пока решилась заменой феррита на материал MPP (Mo-пермаллой). Теперь вопрос в том, насколько долго источник проработает при максимальной температуре, пока испытывали только в течение 8 часов.

Надёжность не предсказуема при использовании компонентов на пределе параметров.

Да нормально будет всё работать и на 150 градусах - главное чтобы мощность рассеиваемая была равна нулю или очень быстро отводилась....

Интересно, и как этого добиться?

автору нужен питатель на 40Вт вроде бы? ЕМНИП
при легко достижимом КПД в 90% сдувать придётся в общем-то менее 5 ватт
так что, если площадь охлаждения будет большой, то дельта Тэ будет очень маленькой